Анализ возможного метода использования геотермальной энергии

Abstract

Проведено численное моделирование процессов теплопереноса в каскаде термосифонов, представляющих собой систему извлечения геотермальной энергии с больших глубин. Предложена математическая модель теплопереноса в слое теплоносителя на нижней крышке термосифона и паровом канале, отличающихся от известных упрощенным описанием комплекса теплофизических процессов, протекающих в зонах испарения, транспорта и конденсации термосифона. Целью исследования является разработка упрощенного метода расчета температурных полей в каскаде термосифонов, обеспечивающего возможность проведения опытно-конструкторских работ по созданию систем извлечения геотермальной энергии на основе каскада термосифонов. Краевая задача математической физики решалась методом конечных разностей. Показана возможность анализа основных характеристик – температур – в рамках модели «эффективной» теплопроводности, коэффициенты переноса которой могут быть определены экспериментально. Установлена возможность переноса теплоты с больших глубин с «эффективностью», достаточной для достижения в системе теплоснабжения температур около 330 К в условиях полной теплоизоляции внешнего контура (поверхностей термосифона). Полученные результаты являются базой для дальнейшего развития моделей и методов анализа процессов извлечения геотермальной энергии с больших глубин с использованием каскада последовательно работающих термосифонов. По результатам полученных теоретических следствий сформулированы основные направления экспериментальных исследований с целью обоснования сделанных по результатам численного анализа выводов. Результаты численного моделирования дают основания для вывода о перспективности дальнейшей (экспериментальной и теоретической) разработки метода извлечения геотермальной энергии с больших глубин залегания грунтовых вод с использованием каскада термосифонов большой высоты.

The numerical simulation of heat transfer was conducted in a cascade of thermosyphons representing a system for extracting geother- mal energy from great depths. We proposed a mathematical model of heat transfer in the coolant layer on the bottom cover of a ther- mosyphon and in the vapor channel differing from the well- plified method for calculating temperature fields in a cascade of thermosyphons, which makes it possible to conduct design and expe- rimental work to create the systems for extracting geothermal energy based on a cascade of thermosyphons. The boundary problem of mathematical physics was solved by the method of finite differences. We showed the possibility to analyze the main characteristics - temperatures - within the framework of the model of «effective» thermal conductivity. The transfer coefficients of this model can be determined experimentally. We found the possibility of heat transfer from large depths with «efficiency» sufficient to achieve tempe- ratures of about 330 K in the heat supply system when the external contour (thermosyphon surfaces) is completely thermally insulated. The results obtained are the basis for the further development of models and methods for analyzing geothermal energy extraction from great depths using a cascade of sequentially operating thermosyphons. According to the obtained theoretical results, the main directions of experimental studies were formulated to justify the conclusions made by the results of a numerical analysis. The results of numerical simulation provide grounds for concluding that the future (experimental and theoretical) development of a method for extracting geothermal energy from large depths of groundwater using a cascade of thermosyphons is promising.